JP2016119662A - Common-mode noise filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全体として、電気系統用の同相雑音フィルタに関する。 The present invention relates generally to an in-phase noise filter for electrical systems.
電気雑音源を有する多くの既知の電気系統がある。電気雑音が排除されるか、または少なくとも低減されない限り、電気雑音は、電気系統自体の動作だけでなく、関連のまたは周辺の電気系統にも悪影響を及ぼす恐れがある。 There are many known electrical systems that have an electrical noise source. Unless electrical noise is eliminated or at least reduced, electrical noise can adversely affect not only the operation of the electrical system itself, but also the associated or surrounding electrical system.
例えば、電気自動車両またはハイブリッド自動車両では、スイッチング電源またはインバータが、一般的に、車両の電動機に電力供給するのに必要な電圧を発生させるために用いられる。従来、電源からの電力信号を作り出すのに、スイッチング電界効果トランジスタ(FET)、GTO、またはIGBTが使用される。しかしこれらのFETでは、FETがオン状態とオフ状態との間で切り替わるたびに、多量の電気雑音が発生する。 For example, in an electric vehicle or a hybrid vehicle, a switching power supply or inverter is typically used to generate the voltage necessary to power the vehicle's motor. Traditionally, switching field effect transistors (FETs), GTOs, or IGBTs are used to generate power signals from power supplies. However, in these FETs, a large amount of electrical noise is generated each time the FET switches between an on state and an off state.
かかるシステムは、一般的に、伝搬路の点で互いと異なる2つの違うタイプの電気雑音を伴う。第一に、ソースおよび負荷に対して互いに反対方向で2つ以上のケーブルを電流が流れる、差動モード電流がある。第二に、2つ以上のケーブルを同じ方向で流れる同相モード電流がある。この同相モード電流は、一般的に高周波であり、2つの異なるタイプの電気雑音の中では、差動雑音よりも外部への影響が大きい。 Such systems typically involve two different types of electrical noise that differ from each other in terms of propagation path. First, there is a differential mode current in which current flows through two or more cables in opposite directions relative to the source and load. Second, there is a common mode current that flows in two or more cables in the same direction. This common-mode current is generally high-frequency, and the influence on the outside is greater than the differential noise among the two different types of electrical noise.
同相雑音を低減する1つの既知の方法は、好ましくは雑音源の付近で電気系統に電気的に接続された、同相モードフィルタを利用するものである。これらの既知のフィルタは、一般的に、電気系統の各電力線と接地との間に接続された、同相モードチョークコイルLおよびコンデンサを備える。同相モードチョークコイルとコンデンサにより、同相モード電流のみに作用するローパスフィルタとなる。 One known method of reducing common mode noise is to utilize a common mode filter, preferably electrically connected to the electrical system in the vicinity of the noise source. These known filters typically comprise a common mode choke coil L and a capacitor connected between each power line of the electrical system and ground. The common-mode choke coil and the capacitor provide a low-pass filter that acts only on the common-mode current.
しかしながら、実際のコンデンサは、同相雑音フィルタの全体効率を減少させる寄生インダクタンス(ESL)を示す。 However, actual capacitors exhibit parasitic inductance (ESL) that reduces the overall efficiency of the common mode noise filter.
例えば、フィルタ効率が縦軸にプロットされ、周波数が横軸にプロットされている、図1を参照されたい。雑音フィルタのコンデンサが寄生インダクタンスを含まない理想的なコンデンサであると仮定すると、フィルタは、グラフ10に示されるように、雑音の周波数が増加するにしたがって、フィルタを通り抜ける雑音の量を継続的に低減する。しかし理想的なコンデンサは存在しないので、グラフ12は、実際のコンデンサの寄生インダクタンス(ESL)を考慮に入れた場合の、より低いフィルタ効率を示す。図1から明白に分かるように、ESLが存在する場合、フィルタを通り抜ける同相雑音の量は劇的に増加する。 For example, see FIG. 1, where filter efficiency is plotted on the vertical axis and frequency is plotted on the horizontal axis. Assuming that the noise filter capacitor is an ideal capacitor without parasitic inductances, the filter continuously increases the amount of noise passing through the filter as the noise frequency increases, as shown in graph 10. To reduce. However, since there is no ideal capacitor, graph 12 shows a lower filter efficiency when taking into account the actual capacitor parasitic inductance (ESL). As can be clearly seen from FIG. 1, in the presence of ESL, the amount of common mode noise that passes through the filter increases dramatically.
フィルタのESLを減少させ、したがってフィルタを通り抜ける同相雑音の量を低減させる、既知の方法が多数知られている。例えば、フィルタを接地に接続するのに使用されるケーブル布線のケーブル長を減少させることで、コンデンサケーブルに寄生インダクタンスがあればその量が減少し、結果としてESLが低減されるであろう。例えば、図1のグラフ14は、図1のグラフ12に対して、コンデンサのケーブル長を短縮した場合のフィルタ性能を示す。 A number of known methods are known that reduce the ESL of a filter and thus reduce the amount of common mode noise that passes through the filter. For example, reducing the cable length of the cabling used to connect the filter to ground will reduce the amount of parasitic inductance in the capacitor cable, resulting in reduced ESL. For example, the graph 14 in FIG. 1 shows the filter performance when the cable length of the capacitor is shortened compared to the graph 12 in FIG.
ESLを低減するさらなる別の方法はESL相殺を使用することである。ESL相殺では、同相モードフィルタの各フィルタインダクタは2つに分割され、それら2つのインダクタは互いと結合され、負性インダクタンスは2つの接続されたフィルタインダクタの中間点で現れる。その結果、容量を中間点と接地との間に付加することができる。インダクタは、理想的には、ESLおよび負性インダクタンスの和を用いてゼロに調整される。しかしながら、ESL相殺を含む従来の同相モードLCフィルタは、多くのLを含む大きな同相モードチョークコイルを使用する。その結果、負性インダクタンスも大きすぎ、相殺を同調させるために、容量のESLと直列に別のコイルを付加する必要がある。かかる相殺回路は、部品の全体数、サイズ、および雑音フィルタの重量の増加を必然的に伴う。さらに、コンデンサのインダクタンスが非常に精密なインダクタである場合であっても、インダクタンスの誤差によってフィルタ効率の大幅な減少を引き起こす場合がある。 Yet another way to reduce ESL is to use ESL cancellation. In ESL cancellation, each filter inductor of the common-mode filter is split in two, the two inductors are coupled with each other, and the negative inductance appears at the midpoint of the two connected filter inductors. As a result, capacitance can be added between the midpoint and ground. The inductor is ideally adjusted to zero using the sum of ESL and negative inductance. However, conventional common-mode LC filters that include ESL cancellation use large common-mode choke coils that contain many Ls. As a result, the negative inductance is too large and another coil must be added in series with the capacitive ESL to tune the cancellation. Such a cancellation circuit entails an increase in the overall number, size, and weight of the noise filter. Furthermore, even if the inductance of the capacitor is a very precise inductor, an error in inductance may cause a significant reduction in filter efficiency.
本発明は、既知の雑音フィルタの上述の不利な点を克服する、同相雑音フィルタを提供する。 The present invention provides a common mode noise filter that overcomes the above disadvantages of known noise filters.
簡潔には、本発明の同相雑音フィルタは、雑音源と負荷との間でそれぞれ直列に接続された、第1および第2のインダクタを含む。第1のインダクタのインダクタンスは、第2のインダクタのインダクタンスよりもはるかに大きい。 Briefly, the common mode noise filter of the present invention includes first and second inductors connected in series between a noise source and a load, respectively. The inductance of the first inductor is much larger than the inductance of the second inductor.
次に、第3のインダクタは、第1および第2のインダクタ間の接合部に接続された第1の端部を有する。第3のインダクタの第2の端部は、コンデンサの一方の側に接続され、コンデンサの他方の側は接地される。 The third inductor then has a first end connected to the junction between the first and second inductors. The second end of the third inductor is connected to one side of the capacitor, and the other side of the capacitor is grounded.
第1、第2、および第3のインダクタは、第1および第3のインダクタ間の相互インダクタンスM13によってインダクタンスL’=ESL+L3−M12−M23+M13が小さくなりすぎるのを防ぐようにして、選択され互いに対して位置付けられる。実際上、第1および第2のインダクタと接地との間の接続によってインダクタンスL’およびESLを最小限に抑えることで、同相雑音フィルタの全体効率が向上するので、図1のグラフ10で示される理想的なフィルタの特性に近づく。 The first, second, and third inductors prevent the inductance L ′ = ESL + L 3 −M 12 −M 23 + M 13 from becoming too small due to the mutual inductance M 13 between the first and third inductors. Selected and positioned relative to each other. In practice, the overall efficiency of the common-mode noise filter is improved by minimizing the inductances L ′ and ESL through the connection between the first and second inductors and ground, and is shown by the graph 10 in FIG. It approaches the characteristics of an ideal filter.
1つの構成では、ワイヤは、強磁性材料で作られたリングなどの磁性構造の周りに巻かれる。第2のワイヤは、ワイヤの負荷端に隣接したタップによって第1のワイヤに電気的に接続され、次に第2のワイヤは、やはり磁性構造の周りに巻かれ、次に負荷端に電気的に接続される。第3のワイヤは第1と第2のワイヤの間にあるタップから始まり、第2のワイヤに沿ってともに磁性構造の周りを進む。次に、第3のワイヤはコンデンサに接続される。 In one configuration, the wire is wound around a magnetic structure such as a ring made of a ferromagnetic material. The second wire is electrically connected to the first wire by a tap adjacent to the load end of the wire, and then the second wire is also wound around the magnetic structure and then electrically connected to the load end. Connected to. The third wire begins with a tap between the first and second wires and travels around the magnetic structure along the second wire. The third wire is then connected to the capacitor.
雑音源と巻かれた第1のワイヤ上にある電気タップとの間のワイヤは、第1のインダクタL1を形成し、タップから負荷までのワイヤは、第2のインダクタL2を形成する。第3のワイヤによってもたらされる第3のインダクタL3は、さらに、第2および第3のインダクタが相互インダクタンスによって良好に結合されるようにして、第2のインダクタに緊密に隣接して並走するように位置付けられる。 First wire between the electrical tap is on a wire wound as a noise source, first to form an inductor L 1, a wire to the load from the tap form a second inductor L 2. The third inductor L 3 provided by the third wire further runs in parallel closely adjacent to the second inductor, such that the second and third inductors are well coupled by mutual inductance. So positioned.
3つのインダクタはいずれも、互いに対する相互インダクタンスを示す。例えば、M12は第1および第2のインダクタ間の相互インダクタンスであり、M23は第2および第3のインダクタ間の相互インダクタンスであり、M13は第1および第3のインダクタ間の相互インダクタンスである。各インダクタンスは相互に結合され、極性も図3に示されている。 All three inductors exhibit mutual inductance with respect to each other. For example, M 12 is the mutual inductance between the first and second inductors, M 23 is the mutual inductance between the second and third inductors, M 13 is the mutual inductance between the first and third inductors It is. The inductances are coupled together and the polarity is also shown in FIG.
結果として、第1および第2のインダクタの接合部からコンデンサまでの経路のインダクタンスは、第3のインダクタの大きさをL3とするL3−M12−M23+M13に等しい。理想的には、このインダクタンスはコンデンサに対するマイナスのESLに等しく、したがって理想的なフィルタに一層緊密に近似する。一般に、高周波電流がソースと負荷との間を進むのを阻止するために、L1およびL2は大きくあるべきであり、それによってM12およびM23も大きくなる。ESLは通常、M12およびM23よりもはるかに小さい値である。しかしL3およびM13は、L3−M12−M23+M13がESLに対して小さくなりすぎるのを防ぐことができる。 As a result, the inductance of the path from the junction of the first and second inductors to the capacitor is equal to L 3 −M 12 −M 23 + M 13 where the size of the third inductor is L 3 . Ideally, this inductance is equal to the negative ESL for the capacitor, and therefore more closely approximates an ideal filter. In general, L 1 and L 2 should be large to prevent high frequency current from traveling between the source and the load, thereby increasing M 12 and M 23 as well. ESL is much smaller than usual, M 12 and M 23. However, L 3 and M 13 can prevent L 3 −M 12 −M 23 + M 13 from becoming too small relative to ESL.
本発明のフィルタは同相雑音フィルタとして使用するのに特に有用であるが、同相モードフィルタの一方の側が単に接地ラインである場合、ESL相殺を含む差動雑音フィルタとして使用してもよい。 The filter of the present invention is particularly useful for use as a common mode noise filter, but may be used as a differential noise filter with ESL cancellation if one side of the common mode filter is simply a ground line.
以下の詳細な説明を添付図面と併せ読んで参照することで、本発明についてのより良好な理解が得られるであろう。いくつかの図面を通して、同様の参照符号は同様の部分を指す。 A better understanding of the present invention will be obtained when the following detailed description is read in conjunction with the accompanying drawings, in which: Like reference symbols refer to like parts throughout the several views.
最初に図2および3を参照すると、雑音フィルタ20は、ハイブリッド自動車または電気自動車のインバータなどの電気雑音源22と、電気自動車またはハイブリッド自動車のバッテリーなどの負荷24との間で相互接続されて示されている。雑音フィルタ20は、好ましくは、電気雑音源22に緊密に隣接して位置付けられる。
Referring initially to FIGS. 2 and 3,
雑音フィルタ20は、フェライトビーズなどの磁性構造26を含む。ワイヤ28および30は、同相雑音電流を雑音源22から負荷24まで運ぶ。車両フレームなどの接地32も雑音フィルタ20と関連付けられる。
The
雑音源22と負荷との間のワイヤ28および30はどちらも、磁性構造26の周りに巻かれる。さらに、2つのワイヤ28および30は同一の形式で磁性構造26の周りに巻かれ、同一の構成要素が関連付けられる。したがって、ワイヤ28と関連付けられた設計および構成要素についてのみ、詳細に記載する。同一の記述はワイヤ30の巻回にも当てはまるものとする。 Both wires 28 and 30 between the noise source 22 and the load are wound around the magnetic structure 26. In addition, the two wires 28 and 30 are wound around the magnetic structure 26 in the same manner and associated with the same components. Therefore, only the design and components associated with wire 28 will be described in detail. The same description also applies to the winding of the wire 30.
再度図2および3を参照すると、ワイヤ28は雑音源22から延在し、ある巻数で磁性構造26の周りに巻かれ、次に負荷24に接続される。しかしながら、ワイヤタップ34が、ワイヤ28の磁性構造26の周りに巻かれた部分に沿った中間点で、ワイヤ28に形成される。さらに、このタップ34は、雑音源22よりも負荷24の近くに位置付けられる。 Referring again to FIGS. 2 and 3, the wire 28 extends from the noise source 22 and is wound around the magnetic structure 26 with a certain number of turns and then connected to the load 24. However, a wire tap 34 is formed on the wire 28 at an intermediate point along the portion of the wire 28 wound around the magnetic structure 26. Further, the tap 34 is positioned closer to the load 24 than the noise source 22.
タップ34は、事実上、磁性構造26の周りにある第1のワイヤ28の巻回を、2つのインダクタL1およびL2に分割する。インダクタL1およびL2は、それぞれ雑音源22と負荷24との間で互いと直列に接続される。さらに、L1のインダクタンスの大きさはインダクタL2のインダクタンスを上回る。 The tap 34 effectively divides the turns of the first wire 28 around the magnetic structure 26 into two inductors L 1 and L 2 . Inductor L 1 and L 2 are connected to each other in series between each source of noise 22 and the load 24. Furthermore, the magnitude of the inductance of L 1 is greater than the inductance of the inductor L 2.
第2のワイヤ36は、インダクタL1およびL2間の接合点であるタップ34に電気的に接続される。このワイヤ36は磁性構造26の周りに巻かれ、第3のインダクタL3を形成する。第3のインダクタL3はさらに、第2のインダクタL2に緊密に隣接して位置付けられ、その結果、インダクタL2およびL3間の相互インダクタンスが増加する。したがって、インダクタL3は、自らが相殺され、インダクタL1およびL2のインダクタンスに対して負性インダクタンスを引き起こすように巻かれる。 The second wire 36 is electrically connected to the tap 34 is a junction point between the inductors L 1 and L 2. This wire 36 is wound around the magnetic structure 26 to form a third inductor L3. The third inductor L 3 is further closely positioned adjacent to the second inductor L 2, as a result, mutual inductance between the inductors L 2 and L 3 are increased. Therefore, the inductor L 3 is, itself is canceled, it wounds to cause a negative inductance relative to the inductance of the inductor L 1 and L 2.
次に、ワイヤ36はコンデンサ40の一方の側に接続され、コンデンサ40の他方の側は接地32に電気的に接続される。コンデンサ40は、その付属のワイヤ36および接地32への接続と併せて、寄生インダクタンスESLを示す。理想的には、インダクタンスL’−ESL=0なので、理想的な雑音フィルタに近似させるために、第1のインダクタL1および第2のインダクタL2および接地32およびコンデンサ40の間のタップ34による等価回路の容量の直列インダクタンスはゼロに等しい。 Next, the wire 36 is connected to one side of the capacitor 40 and the other side of the capacitor 40 is electrically connected to the ground 32. Capacitor 40 exhibits a parasitic inductance ESL in conjunction with its associated wire 36 and connection to ground 32. Ideally, the inductance L′−ESL = 0, so that the first inductor L 1 and the second inductor L 2 and the tap 34 between the ground 32 and the capacitor 40 are approximated to an ideal noise filter. The series inductance of the capacitance of the equivalent circuit is equal to zero.
しかし3つのインダクタL1、L2、およびL3はそれぞれ、他の2つのインダクタからの相互インダクタンスによって影響される。したがって、図4の等価インダクタンスの3つの分岐Lx、Ly、およびLzの等価回路を仮定する。フィルタの3つの分岐Lx、Ly、およびLzの値は次式のように計算される。
Lx=L1+M12+M23+M13
Ly=L2+M12−M23−M13
Lz=L3+M12−M23+M13
式中、Mは相互インダクタンスである。
However, the three inductors L 1 , L 2 , and L 3 are each affected by the mutual inductance from the other two inductors. Therefore, assume an equivalent circuit of three branches L x , L y , and L z of the equivalent inductance of FIG. The values of the three branches L x , L y , and L z of the filter are calculated as:
L x = L 1 + M 12 + M 23 + M 13
L y = L 2 + M 12 −M 23 −M 13
L z = L 3 + M 12 -M 23 + M 13
In the formula, M is a mutual inductance.
図5は、図3の設計を示す。ワイヤ28は1つの穴を有する強磁性ブロックの周りに巻かれる。タップ34は端子Tp1の側でワイヤ28上にある。ワイヤ36は強磁性ブロックの穴の中に入り、タップ34とワイヤ28のTp2との間のワイヤセグメントの近くに位置付けられる。この構成では、相互インダクタンスの各極性は図3のものに一致する。 FIG. 5 shows the design of FIG. Wire 28 is wound around a ferromagnetic block having one hole. The tap 34 is on the wire 28 on the side of the terminal Tp1 . Wire 36 enters the hole in the ferromagnetic block and is positioned near the wire segment between tap 34 and T p2 of wire 28. In this configuration, each polarity of mutual inductance corresponds to that of FIG.
理想的には、Lz−ESLは0に等しい。実際の適用では、フィルタは、インダクタL1、L2、および/またはL3の巻回の数を調節することによって、ならびに、磁性構造26上におけるインダクタL1およびL2の磁路の長さと幅を調節することで、インダクタL1およびL2間の相互インダクタンスM12を調節することによって、同調してもよい。 Ideally, L z -ESL is equal to zero. In practical applications, the filter adjusts the number of turns of inductors L 1 , L 2 , and / or L 3 , as well as the length of the magnetic path of inductors L 1 and L 2 on magnetic structure 26. by adjusting the width, by adjusting the mutual inductance M 12 between the inductors L 1 and L 2, it may be tuned.
次に図6を参照すると、3つのインダクタL1、L2、およびL3の代替の設計が示される。各々の場合において、インダクタは巻回を含む。図6はまた、Lz+Lc−ESL=0であるようにLzを同調させる補償インダクタLcを示す。図6では、Lcは、Lx、Ly、およびLzに対して直交する巻回の軸を有する。したがって、Lcが他のインダクタに近い場合であっても、Lcと他のものとの間の相互インダクタンスは一層小さくなり、他のインダクタンスとは独立している。したがって、Lcの値を選択するのは簡単である。 Referring now to FIG. 6, an alternative design for three inductors L 1 , L 2 , and L 3 is shown. In each case, the inductor includes a winding. FIG. 6 also shows a compensation inductor L c that tunes L z such that L z + L c −ESL = 0. In FIG. 6, L c has a winding axis that is orthogonal to L x , L y , and L z . Therefore, even when L c is close to other inductors, the mutual inductance between L c and the other becomes even smaller and independent of the other inductances. Therefore, it is easy to select the value of L c.
上述のことから、単純であるが非常に有効な同相雑音フィルタを本発明が提供することが分かる。同相雑音フィルタの概念は差動モードの電子電流中の雑音を減少させるのに使用してもよいが、同相雑音を低減するのに非常に有効であることが分かっている。 From the above it can be seen that the present invention provides a simple but very effective common mode noise filter. The common-mode noise filter concept may be used to reduce noise in differential-mode electron currents, but has been found to be very effective in reducing common-mode noise.
本発明について記載してきたが、添付の請求項の範囲によって定義されるような本発明の趣旨から逸脱することのない、本発明に対する多くの変形が、当業者には明白となるであろう。 While the invention has been described, many variations to the invention will become apparent to those skilled in the art without departing from the spirit of the invention as defined by the scope of the appended claims.
Claims (8)
寄生インダクタンスを示すコンデンサと、
前記第1および第2のインダクタの接合部に接続される第1の端部と、前記コンデンサの一方の側に接続される第2の端部とを有し、前記コンデンサの他方の側が接地に接続される、第3のインダクタとを備え、
前記コンデンサの寄生インダクタンスと、前記第3のインダクタのインダクタンスから前記第1および第2のインダクタ間の相互インダクタンスを差し引き、前記第2および第3のインダクタ間の相互インダクタンスを差し引き、第1および第2のインダクタ間の相互インダクタンスを加えたものとの差が最小限に抑えられるようにして、前記第1、第2、および第3のインダクタが選択され互いに対して位置付けられる、雑音源と負荷との間で直列に接続するように適合された同相雑音フィルタ。 First and second inductors respectively connected in series between the noise source and the load;
A capacitor exhibiting parasitic inductance,
A first end connected to the junction of the first and second inductors, and a second end connected to one side of the capacitor, the other side of the capacitor being grounded A third inductor connected,
The mutual inductance between the first and second inductors is subtracted from the parasitic inductance of the capacitor and the inductance of the third inductor, and the mutual inductance between the second and third inductors is subtracted. A noise source and a load, wherein the first, second, and third inductors are selected and positioned relative to each other such that the difference between the two inductors plus the mutual inductance is minimized. Common-mode noise filter adapted to connect in series between.
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